降雨影響下飛行區道面地下水位智能監測及變化規律分析

顧時俊 張鈺彬

為了適應日益復雜的交通航班架次，提高道面維護和管理效率與效果，機場道面管理需由傳統的“被動防治”逐漸向基于數據分析進行“主動防治”的管理模式轉型。虹橋機場地下水位較高，地下水位隨降雨反復上升和下降一方面對道基發生干濕循環作用，可能弱化地基承載能力，另一方面可能滲入基層底部，引發道面結構性病害。本文依托虹橋機場東跑道側面的地下水位自動監測設備，對跑道側面土面區地下水位計數據進行整理，并結合雨量計數據驗證地下水位計的有效性，在此基礎上分析跑道地下水位的變化規律，為機場跑道病害誘因分析和病害維護提供分析依據。相比于傳統地下水位的人工觀測，虹橋機場地下水位自動監測設備實現了運行機場飛行區地下水位的實時監測，并利用開發的系統進行預警、維護分析，也為其他建筑工程的地下水位監測方法提供參考。

上海虹橋國際機場位于中國上海市長寧區，為4E級民用國際機場。目前虹橋機場擁有跑道兩條，是我國最為繁忙的大型民用機場之一。目前虹橋機場部分道面使用年限已較長，進入了設計壽命中期或后期。隨著近年旅客吞吐量的穩定增長，飛行區內結構設施受環境和荷載的影響性能也在不斷衰減。道面是飛行區內最為重要的結構設施，保證其始終處于正常、安全的使用狀態，對于飛行區安全至關重要。雖然針對道面病害經過一系列的修補、加鋪、改造等方式，將風險始終控制在可控的狀態。但是，由于受其設計壽命的限制，維護成本及病害復發的風險都有明顯上升的趨勢，總體仍屬于被動維護的工作模式。

飛行區道面性能受地基沉降變形、地基地下水位等因素的變化而發生改變。基于對飛行區道面存在的安全風險所產生的充分認識，有必要對地下水位檢測監測數據進行深入研究，分析安全風險的形成機理和發展規律，建立安全風險影響因素預警模型，并提出面向四型機場建設的安全管控措施與對策。對于虹橋機場飛行區長治久安、機場未來的快速發展以及運行機場四型機場建設具有重要意義，同時為其他建筑工程的地下水位監測方法提供案例和參考。

一、道面性能影響因素感知分析

地基發生不均勻沉降，不僅影響道面整體不均勻沉降和道面平整度，也會導致道面不協調變形而出現的斷板現象，因此道面沉降是影響道面結構性能和安全的重要因素之一。地基的地下水位出現波動，一方面改變了地基濕度狀況，濕度依賴性極強的地基回彈模量發生衰減，影響地基承載能力，另一方面地下水通過滲流和毛細水等作用侵入道面結構層，誘發層間結合和結構層弱化問題。因此沉降變形和地下水位等因素能間接影響道面結構性能，進而成為道面安全風險問題的間接誘因，也需要管理部門引起足夠的重視。

1.地下水位感知技術分析

沉降變形的感知手段包括傳統水準和GPS高程測量、單點沉降計監測、全域InSAR監測等技術。其中單點沉降計采用鉆孔埋入光纖光柵類點式沉降計獲取重點斷面的絕對沉降和差異沉降，全域InSAR監測利用合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術，并發展長時序監測機場跑道沉降的模型算法，克服機場跑道雷達反射信號弱的問題，大幅提高觀測點密度，快速識別飛行區全域道面的沉降速率、差異沉降等指標，可以彌補傳統水準和GPS測量手段的不足，廣泛用于地表形變監測領域，具有較低成本、觀測范圍大、監測時間短等優點。

地基地下水位感知一般采用人工地下水位觀測，或光纖類或無線振弦類高精度地下水位計實時監測，掌握監測飛行區地基地下水位隨天氣的變化情況。

2.地下水位智能監測技術應用

虹橋機場D滑存在唧泥脫空病害，故在虹橋機場D滑附近布設人工地下水位觀測點和排水溝流量監測裝置。采用地下水位管對地下水位進行監測，前期監測頻率設置為2～3天/次，雨天時增加測量頻次。在盲管溝的檢查井和排水管設置超聲波流量計，采集管中水位、流量、流速等數據，實施無線傳輸記錄現場排水狀況，不間斷地掌握地下水位實時變化的情況。同時，設置機械式流量計開展流量監測，并在監測位置設置太陽能無線攝像頭實時觀測排水狀況。

同時，在東跑道側面土面區安裝4個無線地下水位計，并擬在2023年于西跑道側面土面區安裝4個地下水位計，多區域監測虹橋機場飛行區地下水位變化情況。地下水位自動監測裝置主要由地下埋設裝置、地面數據傳輸裝置和數據存儲、分析、預警平臺三大部分組成（圖1）。

圖1 自動監測裝置組成示意圖

地下水位數據通過地下埋設裝置中的地下水位計采集，然后數據通過傳感器引線傳輸至地面無線采集箱，多個采集箱數據匯總后發送到云服務器進行存儲。同時，地下水位自動監測數據可接入飛行區其他系統（如虹橋機場道面管理系統、虹橋機場跑道表面狀況監測系統），具備數據實時展示、埋入式傳感器三維可視化、自動生成報告、實時預警等功能。

二、飛行區道面地下水位變化規律分析

依托虹橋機場東跑道側面的地下水位自動監測設備，對東跑道側面土面區地下水位計數據進行整理，并結合雨量計數據驗證地下水位計的有效性，并在此基礎上分析虹橋機場東跑道地下水位的變化規律。

2022年11月地下水位計與雨量計數據分布如圖2所示。由圖可知，地下水位變化趨勢與降雨強度一致，且存在一定的滯后性，這是因為降雨入滲引發地下水位上升需要一定時間。因此，本次安裝的地下水位計是有效的。

圖2 2022年11月地下水位計與雨量計數據分布

跑道南端、聯絡道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢一致，但數值存在一定差異；總的來說，跑道南端＞聯絡道B1＞ H4 ＞跑道北端。另外，11日短時強降雨過程中，H4處的地下水位在10:54時發生劇烈變化，這可能是由于排水不暢造成監測水位突變，隨后緩慢消散至正常水平。統計可得11月跑道南端、聯絡道B1、跑道北端和H4 處地下水位的最高和最低值分別為（-0.284，-1.203）m、（-0.188，-1.845）m、（-1.127，-1.847）m、（-0.664，-1.906）m。

2022年12月地下水位計與雨量計數據分布如圖3所示。由圖可知，地下水位變化趨勢與降雨強度一致。因此，本項目安裝的地下水位計是有效的。

圖3 2022年12月地下水位計與雨量計數據分布

跑道南端、聯絡道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢一致，但數值存在一定差異；總的來說，跑道南端＞聯絡道B1＞ H4 ≈跑道北端。

統計可得12月跑道南端、聯絡道B1、跑道北端和H4 處地下水位的最高和最低值分別為（-0.225，-0.885）m、（-0.276，-1.192）m、（-0.97，-1.547）m、（-0.792，-1.574）m。

同理，針對2023年1月-2023年3月數據進行分析，結合地下水位計與雨量計數據分布圖，總結得出：

（1）2022年11月-2023年3月虹橋機場東跑道的地下水位計數據隨著雨量計數據而變化，充分表明本項目安裝的地下水位計是有效的。

（2）跑道南端、聯絡道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢一致，但數值存在一定差異。總的來說，跑道南端＞聯絡道B1＞跑道北端＞ H4 。

（3） 2022年11月-2023年3月虹橋機場東跑道的地下水位最高值和最低值分別為-0.17 m和-1.906m。

三、結論與建議

本文依托地下水位自動監測設備，對虹橋機場跑道側面土面區地下水位計數據進行有效收集，通過監測平臺實現數據呈現，并結合雨量計數據驗證了地下水位計的有效性。在此基礎上分析跑道地下水位的變化規律及趨勢，可以為機場土建工程、給排水工程，以及跑道病害誘因分析和病害維護提供依據，為機場道面管理由傳統“被動防治”向“主動防治”管理模式的轉型提供助力，也為其他建筑工程的施工、運維和養護過程提供參考方案。

建議加強智能監測系統平臺的使用和跟蹤維護，充分利用和積累長時監測數據，優化模型算法，可加強管理決策的實時性和合理性，也可提前發現濕滑跑道、冰雪跑道等適航條件較差或不適航的跑道狀態。